冲击地压发生机理及监测方法现状分析

（河南理工大学，河南 焦作 454000）

冲击地压发生机理及监测方法现状分析

许 磊 魏世明

（河南理工大学，河南 焦作 454000）

随着煤矿开采强度和深度的不断增加，发生冲击地压的概率也不断增加，通过对冲击地压发生机理的研究现状分析，总结了不同机理学说的优缺点；针对灾害发生的一般情况，现行的钻屑法、微震监测、地音监测、电磁辐射法等各种监测方法在监测过程发挥了不同的作用，并指出现有监测方法所存在的不足之处，以便寻求更先进的监测方法。

冲击地压；机理；监测

0 引言

近年来,随着煤矿采掘深度和强度的不断加大,煤岩动力灾害愈发严重。据1999年统计,在全国595处国有重点煤矿中,冲击矿井120余处。据国家安全生产监督管理总局统计，2011—2012年我国煤矿发生了1 201次事故,死亡1 973人,其中煤与瓦斯突出、冲击地压事故死亡人数高达28%。由于冲击地压灾害具有突发性、震动性和巨大破坏性等特征,一般会造成巨大的人员伤亡和资源浪费。因此对于冲击地压机理的研究以及准确监测预报十分重要。

本论文研究冲击地压的发生机理及监测方法，这对于防治冲击地压灾害的发生，减少由于此类事故所造成的损失具有实践指导意义。

1 冲击地压发生机理分析

地下岩体处在复杂与强大的自重应力、构造应力和开采附加应力场中，地下赋存的煤体与岩体，在强大的应力作用下产生变形。当岩块处于弹性状态时，且应力不能解除时，外力做的功将会以能量的形式储存在岩体内，获得变形弹性能。在进行地下采掘活动的过程中,随着开采场所的不断变更，原岩应力发生改变,煤岩体原有的应力平衡状态遭到破坏后，煤岩体寻求一种新的动力平衡状态,当应力超过煤岩的强度极限时，聚积在煤岩体中的能量就会突然释放，动力平衡条件就会被破坏，从而引发冲击地压灾害。

1.1 现有冲击地压机理

在对冲击地压发生机理进行探讨的历史过程中，不同的学者有不同的认识，形成了不同的观点和描述，出现了不同的冲击地压发生理论。具有代表性的是强度理论、能量理论、冲击倾向性理论等。

1.1.1 强度理论

强度理论以“矿体—围岩”系统为研究对象，考虑系统的极限平衡。认为冲击地压发生的应力条件是：

其中，σi——包括自重应力、构造应力、由于开采引起的附加应力、煤体与围岩交界处的应力、其他条处的应力和其他条件(如瓦斯、水和温度等)引起的应力；R——煤体与围岩系统强度。

建立冲击地压力学模型如图1所示。

具有代表性的是布霍依诺[1]提出夹持煤体理论，如图2所示。这一理论认为，坚硬的顶板可将煤体夹紧，煤体夹紧阻碍了深部煤体自身或“煤岩—围岩”交接处的卸载变形。这种作用意味着，由于侧向力阻碍了煤体的卸载移动，使煤体更加密实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能，夹持起了闭锁作用。据此在煤体夹持所产生的力学效应是：高压力孕育相当高的弹性能，高压和弹性能聚集于煤壁附近，一旦高压应力突然加大或系统阻力减小，煤岩体将会发生破坏和运动，抛向采掘空间，形成冲击地压。

图1 矿体-围岩结构模型

但强度理论没有充分的理论依据,是从经验统计得到冲击地压与地应力及岩体强度之间的一个近似规律。将地应力与岩石强度之比作为依据,忽视了其它因素的影响,实践证明,并不是所有的岩石都具有冲击倾向性。冲击地压是动态的能量释放过程。强度理论没有考虑能量储存,也没考虑时间效应,因此需要更进一步的完善。

图2 夹持煤体产生高侧压示意图

1.1.2 能量理论

20世纪50年代末期前苏联学者c.T.阿维尔申以及20世纪60年代末期中期英国学者库克[2]等人提出“矿体—围岩”系统在其力学平衡状态遭到破坏时所释放的能量大于所消耗的能量时发生冲击地压。矿体与围岩的力学平衡状态破坏后，释放的能量大于消耗的能量，就会发生冲击地压。七十年代由布霍依诺、布格尔特和里波曼所提出的能量率理论[3]。较全面和完善地揭示了发生冲击地压时的能量过程,用(2)式作为发生冲击地压的能量判据，(俄)И.М.佩图霍夫[4]对产生冲击地压时的能量结构做了类似分析，提出一套力学计算方法，对能量理论的研究做了进一步完善。

其中，UE——围岩系统储存的弹性能；US——煤体储存的弹性能；UP——消耗于克服煤体与围岩边界处和煤体破坏等阻力的能量；α、β——围岩系统、煤体内能量释放的有效系数。

这一观点从能量守恒出发阐明了矿体与围岩的能量转换关系，但也没有考虑空间的因素，在计算煤岩体所储存的能量时，如何选取计算范围，煤岩破坏释放的能量如何计算，能量释放系数该怎么选取，岩体急剧破坏形成的原因等这些问题都没有很好的解决，因此该理论需要更进一步完善。

1.1.3 冲击倾向性理论

在相同的地质和开采条件下，煤层发生冲击地压有很大差异，波兰和前苏联学者提出了冲击倾向性理论[5]。提出用煤样的动态破坏时间(Dt)、弹性能指数(WET)以及冲击能量指数(KE)三项指标综合判别煤的冲击倾向的实验方法。根据测定的煤岩介质冲击倾向性和表1规定的极限值进行比较。

表1 煤的冲击倾向鉴定指标

实践表明：当KE、WET和Dt三个冲击倾向指标大于规定的指标值时，就会发生冲击地压，这一理论即为冲击倾向性理论。冲击倾向性理论只是单方面从煤岩自身条件出发，分析煤岩所具有的冲击倾向性，只能作为判断冲击性的一个必要条件。对于空间范围的围岩体所产生的应力并没有详细分析，以此理论来判断冲击地压发生与否是片面的。

1.2 现有理论的问题及解决方法

虽然人们很早就开始了对冲击地压机理的研究，并分别从煤岩强度、能量及冲击倾向性等角度出发阐述其发生的机理，但鉴于冲击地压发生的复杂性，目前的各种机理假说尚不能完全解释其发生的机理及过程。

1.2.1 强度理论只是从经验角度出发，提出了一个不全面的判别指标，没有考虑煤岩本身的冲击倾向性、时间效应等。煤岩的强度是导致冲击地压发生的重要因素，但不是唯一、绝对的因素，因此，强度理论应在充分考虑应力、煤岩强度的基础上，根据不同条件下煤岩受力，提出更合理、科学的判别指标。

1.2.2 能量理论从能量转换角度出发，阐明了矿体围岩的能量关系，煤岩体急剧破坏形式的原因等问题，但没有考虑时间和空间的影响；能量理论只说明了冲击地压是在“矿体—围岩”系统的力学平衡状态破坏时，释放的能量大于消耗的能量时发生，并没有说明平衡状态的性质和破坏条件，特别是围岩释放能量的条件，所以能量理论应该考虑煤岩体自身的力学特性，结合时间的非稳定性、空间的非均匀性来完善该理论。

1.2.3 冲击倾向性理论考虑煤岩自身物理力学性质，认为煤岩体的冲击倾向性是煤岩体的固有属性，是产生冲击地压的内在因素。通过三个冲击倾向性指标来确定冲击地压危险性，但三个指标都是在实验室测定的，具有很大的离散性，需要大量的实验来确定。而且冲击地压的发生与采掘条件和地质环境有关，实际的煤岩物理力学性质随着地质开采条件不同而有很大差异，实验室的测定结果并不代表实际情况，所以不仅要考虑煤岩性质，也要考虑围岩体的力学性质，而且要提高实验室测试的可靠性。

1.2.4 此外，在总结强度理论、能量理论、冲击倾向性理论的基础上，中国矿业大学的李玉生[3]提出了“三准则”理论，提出了强度准则是煤岩体的破坏准则，而能量准则和冲击倾向性准则是突然破坏准则，只有三个准则同时满足时，才能发生冲击地压；章梦涛[6]教授基于材料失稳破坏思想提出的失稳理论,认为煤岩体受采动影响而在周围形成应力集中，煤岩变为软化材料，受扰动发生破坏；齐庆新[7]等人提出的“三因素”理论，认为内在因素、力源因素、煤体结构因素是发生冲击地压的最主要因素；窦林名[8]提出的“强度弱化减冲机理”，通过松散煤岩体降低煤岩体的强度和冲击倾向性，弱化煤岩体应力集中程度，采取减冲措施，降低冲击地压强度。这些都对冲击地压理论研究做了进一步发展。

2 冲击地压的监测

防治冲击地压的前提是监测和预测预报冲击地压灾害的发生，首先就要进行冲击地压的监测，只有确定了可能发生灾害的区域和危险程度后才能采取适当的防治措施。

2.1 现有的监测方法

2.1.1 钻屑法

通过在煤层中打直径为42～50mm的钻孔，根据排出的煤粉量以及变化规律和有关动力效应，来鉴别冲击危险性。由于钻出的煤粉量与煤岩体应力状态具有定量的关系，应力状态改变，钻孔煤粉量也就不同，常用钻出的煤粉量与正常排出的煤粉量之比，作为衡量冲击危险的指标。除煤粉量之外，打钻时发生的卡钻、震动等动力效应也可作为判别的直观指标。

2.1.2 采动应力场监测法

采动应力场是动态变化的，如果能够分析清楚开采场所应力变化规律，就能预测冲击地压。弄清煤岩体的采动应力场的分布状态，控制高应力的产生，基于采动应力对冲击地压的影响，采用采动应力在线连续监测系统，在工作面布置钻孔应立计，通过井下分站，以电话线为介质传递送到井上，最终由计算机实时监测并进行分析处理，监测工作面推进过程中采动应力变化，为预测冲击地压提供依据。

2.1.3 顶板动态监测

顶板动态法主要是通过监测顶板的运动状态、支承压力显现范围及应力峰值位置来预测冲击危险。顶板的急速下沉或突然断裂会引起震动，都有可能诱发冲地地压。因此，坚硬顶板悬露的面积、断裂运动的时间是冲击地压预测的关键。

2.1.4 微震监测法

材料在外力的作用下，内部将产生局部弹性，当能量积聚到一定能量值时会引起微裂隙的产生与扩展，伴随着弹性波与应力波的传播，其后果就是产生声发射；冲击地压矿井存在着大量的地音和微震活动[9]。每一次冲击地压必然伴随有强烈的地音和微震活动。

通过记录采矿震动的地频率能量，记录岩体破坏时产生的应力波，通过计算机处理分析，根据震动定位，预测破坏发生的区域。在发生微震活动的矿体内布设传感器，探测微震波所发射的地震波，即发生地震波的位置，活动性的强弱和频率判断潜在的矿山动力灾害活动规律，进而进行预报灾害事故。

图3 微震监测系统组成

微震监测技术在波兰煤矿已被广泛的使用[10]，我国1984年引进了波兰研制的SAK和SYLOK冲击地压监测系统,在门头沟矿、龙凤矿等矿井安装使用，并起到一定的预测效果。

微震监测系统组成一般包括地面监测站、井下数据交换中心和接收感器阵列三大部分，可进行全数字、多通道、自动化全天候实时监测。配置有可视化监控分析件。建立三维旋转立体模型，分析系统操作方便。如图3所示。

2.1.5 地音法

煤岩体失稳或应力集中导致其破坏，能量突然释放，地音就是煤岩体破裂释放的能量以弹性波的形式向外传播所产生的声学效现象[11]。通过提供统计单位时间监测区域内地音事件的频度、能率、频率、延时等一系列地音参量，找出地音活动规律，以此来判断监测区域的煤岩体受力状态和破坏程度，评价煤岩体的稳定性[12]。根据此原理，采用煤岩体的地音监测方可以对冲击地压等动力灾害的危险性进行评价并对其进行预测预报。

2.1.6 电磁辐射法

20实际90年代中国矿业大学的何学秋[13]等人对煤体受载荷作用喜爱的电磁辐射特性及规律进入了深入的研究，表明煤岩电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能的一种现象。电磁辐射的强度和脉冲数与载荷和煤岩变形破裂程度基本呈正相关，对电磁辐射的频谱分析表明，煤岩体变形破裂过程中的电磁辐射是频谱很宽的脉冲信号，而且电磁辐射的频谱随着载荷及变形破裂强度的增加而增高。瓦斯流动对电磁辐射有影响，瓦斯流动压力梯度越大，流速越高，电磁辐射越强[14]。上述研究为电磁辐射监测技术及预报方法提供了理论依据。

冲击地压是地应力和煤岩体共同作用的结果，工作面前方煤岩体处于高应力状态，煤岩体电磁辐射信号较强；或者是煤岩体处于逐渐增强的变形破裂过程中，煤岩体电磁辐射信号逐渐增强。电磁辐射和煤岩体的应力状态有关，应力越高，煤岩体的变形破裂越强烈，电磁辐射信号就越强，电磁辐射脉冲数也越大。应力就越高，冲击危险就越大。电磁辐射强度和脉冲数两个参数反映了煤体前方应力的集中程度和煤岩体动力灾害的危险程度，因此可用电磁辐射监测技术进行冲击地压的危险预测。

2.2 现有监测方法存在的问题分析及发展趋势

现有的监测方法虽然已经多种多样，但仍然不能满足冲击地压准确监测的需要。

2.2.1 钻屑法、采动应力场监测、顶板动态监测都是属于直接接触式的探测方式，都是通过测定煤岩体的应力变化来间接预测冲击地压的危险性。接触式探测法可以直接了解煤岩体情况，简单实用，但由于要进行大量的钻孔工程，人力物力成本较高，且钻孔数量有限，只能进行局部区域预测。可作为监测的补充手段进行直观的判别。

2.2.2 微震监测和低音监测都属于地球物理法，二者区别在于接收的应力波的频率不同。通过在煤岩体中布置的监测探头，可以进行实时、动态的数据收集，并能长期布设在井下使用，主要作为区域监测手段使用。由于理论研究较落后，监测设备测技术还不能完全国产化，监测探头的埋设没有一定的规律可寻，容易受到采动影响而损坏；应力波容易受到机械电气设备的干扰，且信号较弱，难以准确监测，环境噪音也易使仪器对声发射信号的判别失真；在对岩体声发射信息的利用方面，还很不完善，没有利用声发射的全部信息。因此，在监测上不仅要考虑自设设备的精确度，尽可能减少其他外在因素对应力波的影响。可借鉴南非、加拿大等国所建立的国家型矿山微震监测网。在后期的处理上应该完善处理软件，对数据做出更可靠的分析。

2.2.3 电磁辐射属于非接触探测手段，是一种便携的监测手段，但由于煤岩体所产生的电磁辐射信号非常微弱，极易受到外界干扰，影响测试效果；至今还无法实现定位监测和定量预报；对电磁辐射产生的机理、传播的影响因素等还不清楚等。因此，不仅要对电磁波的产生、传播机理做深入的研究，找出影响因素，而且要提高设备的灵敏性，判断性、提高接收电磁波的效果。

3 结语

3.1 通过分析冲击地压发生的机理,认为冲击地压发生的最根本的原因是在采掘活动中破坏了原岩应力平衡状态，破坏了原岩体中的能量平衡；现有的理论都不足以全面地解释冲击矿压发生根本原因，对机理的研究可以借助于现在大型计算机技术，利用FLAC、ANSYS等数值模拟软件，进行数值分析计算，结合地下围岩体以及时间效应的关系，从而寻求新的理论突破。

3.2 现有的钻屑法、采动应力场监测、顶板动态监测、微震监测、地音监测、电磁辐射监测等方法都在实际中有一定的应用，且成功地进行了预测预报，但整体效果不佳，对于很多情况下的预测都不准确，预测精度很难达到要求，容易受到环境等因素的影响。在未来可以寻求更稳定的监测元件，例如光纤光栅传感器，在现有技术条件下，采用单一的监测方法技术难以达到全面分析预测的结果，可以将多种监测方法融合在一起并用，采用全方位、多角度的观测技术，综合作用起来就能更全面地进行预测。

[1]Brauner G.Kritische spannungen in kohlenflozen.Gluckunf,1975,Nr 13.

[2]Cook,N.G.W.The basic mechanics of rockburst[J].Journal of South African Institute of Mining&Metallurgy,1963,64:71-81.

[3]李玉生.冲击地压机理及其初步应用[J].中国矿业学院学报，1985（3）：37-43.

[4](俄)И.М.佩图霍夫等.冲击地压和突出的力学计算方法[M].北京：煤炭工业出版社，1994.

[5]钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[6]章梦涛.冲击地压失稳理论与数值计算[J].岩石力学与工程学报,1987,6(3)197—204.

[7]齐庆新,刘天泉，史元伟.冲击地压的摩擦滑动失稳机理[J].矿上压力与顶板管理，1995，3-4,175-200.

[8]窦林明,陆菜平,牟宗龙等.煤岩体的强度弱化减冲机理[J].河南理工大学学报,2005,(24)3:170-175.

[9]余国锋,薛俊华.微震监测技术在煤矿动力灾害防治中的应用[J].煤炭科技/安徽科技，2010(5)43-44.

[10]冀贞文，孙春江，姜福兴.波兰煤矿冲击地压防治技术现状及分析［J］.煤炭科学技术，2008，36(1):11-14.

[11]齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[12]齐庆新，李首滨，王淑坤.地音监测技术及其在矿压监测中的应用研究[J].煤炭学报，1994，19(3):221—232.

[13]王恩元,何学秋,刘贞堂.煤岩变形及破裂电磁辐射信号的R/S统计规律[J].中国矿业大学学报,1998,27(4):19-21.

[14]聂百胜,何学秋,王恩元.煤岩动力灾害非接触电磁辐射监测系统及应用[J].电波科学学报，2004（19）144-145.

TD324

A

1003-5168(2014)01-0051-03

国家自然科学基金（51004042）。

许磊（1989—），男，山西芮城人，河南理工大学在读硕士研究生。